説明

内燃機関の排気浄化装置

【課題】内燃機関の排気浄化装置において、内燃機関の負荷が低い場合であっても吸蔵還元型NOx触媒の硫黄被毒を回復させることができる技術を提供する。
【解決手段】複数の気筒を有し且つ燃焼させる気筒を減少させる減筒運転を行うことが可能な内燃機関の排気浄化装置において、NOxを吸蔵し且つ吸蔵していたNOxが還元剤により還元される吸蔵還元型NOx触媒と、吸蔵還元型NOx触媒の硫黄被毒回復を行うときに減筒運転を行なう硫黄被毒回復手段(S103)と、を備える。減筒運転により、燃料が燃焼される気筒では燃料供給量が増加し、高温且つ低空燃比の燃焼ガスが排出されるため、吸蔵還元型NOx触媒の温度低下を抑制することができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【0002】
内燃機関の排気通路に吸蔵還元型NOx触媒(以下、単にNOx触媒という。)を配置する技術が知られている。このNOx触媒は、流入する排気の酸素濃度が高いときに排気中
のNOxを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときに吸蔵し
ていたNOxを還元する。
【0003】
ところで、NOx触媒には燃料に含まれる硫黄成分もNOxと同様に吸蔵される。このように吸蔵された硫黄成分はNOxよりも放出されにくく、NOx触媒内に蓄積される。これを硫黄被毒という。この硫黄被毒によりNOx触媒でのNOx浄化率が低下するため、適宜の時期に硫黄被毒から回復させる硫黄被毒回復処理を施す必要がある。この硫黄被毒回復処理は、NOx触媒を高温にし、且つ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気をNOx触媒に流通させて行われる。
【0004】
ここで、V型エンジンにおいて、硫黄被毒回復時に一方のバンクの気筒への空燃比をリッチ化又は理論空燃比化させ、他方のバンクの気筒への空燃比をリーン化するように制御を行なう技術が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
【0005】
この技術によれば、一方のバンクの気筒からの排気中に未燃物質が発生し、この未燃物質により、吸蔵還元型NOx触媒から放出された硫黄成分が還元される。また、このとき
には、他方のバンクのリーン運転により、内燃機関全体の燃料消費が抑制されることになり、内燃機関全体の燃料消費を抑制しながら硫黄被毒回復処理を行なうことができる。
【特許文献1】特開平9−291814号公報
【特許文献2】特開平8−61052号公報
【特許文献3】特開平8−189388号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかし、硫黄被毒回復は、高温及び低空燃比が必要となり、且つ数分間NOx触媒の雰
囲気をこの状態で維持しなくてはならない。ここで、内燃機関の負荷が低いと、該内燃機関から排出される排気の温度が低く且つ排気の空燃比はリーンとなる。このような運転状態では、硫黄被毒回復を断念せざるを得なかった。
【0007】
また、内燃機関の負荷が比較的高い状態で硫黄被毒回復を開始しても、途中で負荷が低くなると該硫黄被毒回復を継続させることが困難となる。このような場合に硫黄被毒回復処理を中止すると、再度硫黄被毒回復処理を行なう必要があるため、燃料の消費量が多くなり燃費が悪化する。さらに、長期間硫黄被毒回復処理を実行できなければNOxの浄化
率が低下してしまう。
【0008】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気浄化装置において、内燃機関の負荷が低い場合であっても吸蔵還元型NOx触媒の硫黄被毒を回
復させることができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を採用
した。すなわち、本発明による内燃機関の排気浄化装置は、
複数の気筒を有し且つ燃料を燃焼させる気筒を減少させる減筒運転を行うことが可能な内燃機関の排気浄化装置において、
NOxを吸蔵し且つ吸蔵していたNOxが還元剤により還元される吸蔵還元型NOx触媒
と、
前記吸蔵還元型NOx触媒の硫黄被毒回復を行うときに前記減筒運転を行なう硫黄被毒
回復手段と、
を備えることを特徴とする。
【0010】
ここで、前記内燃機関は、全ての気筒において燃料を燃焼させること(全気筒運転)も、任意の気筒での燃料の燃焼を停止させ残りの気筒で燃料を燃焼させること(減筒運転)も可能な内燃機関である。
【0011】
ここで、減筒運転を行うと、燃料の燃焼を停止させている気筒(以下、停止気筒という。)からはトルクが発生しないため、内燃機関全体から発生するトルクが減少する。これに対し、燃料を燃焼させている気筒(以下、燃焼気筒という。)で発生するトルクを増加させることで、内燃機関全体としてトルクの減少を無くすことができる。そして、より多くの燃料を燃焼気筒に供給することにより、該燃焼気筒で発生するトルクを増加させることができる。つまり、停止気筒のトルク減少分を、燃焼気筒で補うことができる。例えば、減筒運転を行なうことにより内燃機関全体としてトルクが減少すると、運転者はアクセルペダルを踏み込むため、燃焼気筒への燃料供給量が増加される。
【0012】
このように、より多くの燃料を燃焼気筒へ供給することにより、該燃焼気筒における空燃比は低下し、燃焼温度は上昇する。すなわち、排気の空燃比および温度を、硫黄被毒回復に適した状態に近づけることができる。これにより、硫黄被毒の回復を実行可能な運転領域を広げることができるため、燃費の悪化を抑制することができる。
【0013】
なお、前記硫黄被毒回復手段は、内燃機関から排出される排気の温度および排気の空燃比が、前記吸蔵還元型NOx触媒の硫黄被毒回復に必要な状態となるように減筒気筒の数
を決定してもよい。
【0014】
本発明においては、前記内燃機関は、クランクアングル90度間隔で少なくとも1回連続して燃焼を行うV型8気筒内燃機関であり、
前記硫黄被毒回復手段は、硫黄被毒回復を行なうときにクランクアングル180度間隔で燃焼を行なうように、半分の気筒の燃焼を停止させることができる。
【0015】
V型8気筒内燃機関等の大排気量機関では、小排気量機関と比較して、最大発生トルクが大きいために、より低負荷で使用されることが多い。そのため、リーン空燃比で運転されることが多い。したがって、大排気量機関では、小排気量機関よりも、硫黄被毒回復処理を行なうことが困難な場合が多い。
【0016】
ここで、クランクアングル90度間隔で少なくとも1回連続して燃焼を行うV型8気筒内燃機関では、燃料の燃焼を1気筒おきに停止させても安定した運転が可能である。つまり、1気筒おきに燃焼させても、等間隔で燃料を燃焼させることができるため、運転状態が安定する。すなわち、クランクアングル180度間隔で燃焼を行なうことで、硫黄被毒回復時に高温且つ低空燃比とすることが容易に可能となる。これにより、大排気量機関であっても、低負荷時に硫黄被毒回復処理を実施することができる。なお、V型8気筒以外の内燃機関であっても、等間隔で燃料を燃焼させることが可能であれば、V型8気筒の場合と同様に安定な運転が可能である。
【0017】
本発明においては、排気弁を閉じたままとすることが可能な可変動弁機構を更に備え、前記硫黄被毒回復手段により硫黄被毒の回復が行なわれるときに、燃料の燃焼が停止される気筒の排気弁を閉じたままとすることができる。
【0018】
停止気筒で通常と同じように排気弁を開閉させると、燃焼しないままの空気が排気通路へ排出されることになる。このような空気が、燃焼気筒からの排気と混ざると、燃焼気筒からの排気の空燃比を上昇させてしまう。すなわち、燃焼気筒でせっかく低下させた排気の空燃比が、停止気筒からの排気により上昇されるので、吸蔵還元型NOx触媒に到達す
る排気の空燃比が高くなってしまう。また、停止気筒からの排気は燃焼していないため温度が低い。したがって、停止気筒からの排気は、吸蔵還元型NOx触媒に到達する排気の
温度を低下させてしまう。
【0019】
これに対し、停止気筒の排気弁を閉じたままとすると、該停止気筒から排気通路へ空気が排出されることがなくなるので、より高温でより低空燃比の排気を吸蔵還元型NOx触
媒に到達させることができる。つまり、より低負荷で硫黄被毒回復が可能となる。
【0020】
本発明においては、前記硫黄被毒回復手段は、前記内燃機関の負荷が第1閾値以下となった場合に前記減筒運転を行なうことができる。
【0021】
第1閾値とは、減筒運転をしなければ硫黄被毒回復が困難となるほど、排気の空燃比が高くなるか又は排気の温度が低くなる運転状態である。つまり、硫黄被毒回復が困難となったときに減筒運転を行なうことにより、負荷の高いときに、排気の空燃比が過剰に低下したり排気の温度が過剰に上昇したりすることを抑制できる。
【0022】
また、本発明においては、前記硫黄被毒回復手段は、減筒運転を行っているときに前記内燃機関の負荷が第1閾値よりも高い第2閾値以上となった場合に前記減筒運転を中止することができる。
【0023】
第1閾値よりも第2閾値を高くしたのは、減筒運転から全気筒運転へ切り替わるときに排気の温度が低下するため、このときの排気の温度が硫黄被毒回復に必要な温度よりも低くなってしまうことを抑制するためである。また、負荷が高くなったことにより全気筒運転に切り替えれば、負荷の高いときの排気の空燃比が過剰に低下したり排気の温度が過剰に上昇したりすることを抑制できる。
【発明の効果】
【0024】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、内燃機関の負荷が低い場合であっても吸蔵還元型NOx触媒の硫黄被毒を回復させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0025】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
【実施例1】
【0026】
図1は、本実施例に係る内燃機関1とその排気系の概略構成を示す図である。図1に示す内燃機関1は、V型8気筒の4サイクル・ディーゼルエンジンである。内燃機関1は、クランクアングル90度毎に何れかの気筒で燃焼が行われる。
【0027】
内燃機関1は、右バンク2および左バンク3を備えて構成されている。右バンク2および左バンク3には、夫々4つの気筒4が備わる。右バンク2には、1,3,5,および7番気筒(夫々#1,#3,#5,#7で示している。)が備わり、左バンク3には、2,
4,6,および8番気筒(夫々#2,#4,#6,#8で示している。)が備わる。右バンク2には、該右バンク2の各気筒4に接続される右排気マニホールド5が接続されている。また、左バンク3には、該左バンク3の各気筒4に接続される左排気マニホールド6が接続されている。そして、右排気マニホールド5は右排気管7へ接続され、左排気マニホールド6は左排気管8へ接続されている。
【0028】
右排気管7の途中には、右吸蔵還元型NOx触媒9(以下、右NOx触媒9という。)が設けられ、左排気管8の途中には、左吸蔵還元型NOx触媒10(以下、左NOx触媒10という。)が設けられている。右NOx触媒9および左NOx触媒10は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のNOxを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低く且つ還元
剤が存在するときは吸蔵していたNOxを還元する機能を有する。
【0029】
また、内燃機関1には、夫々の気筒4に備わる排気弁15を閉弁したまま停止させることが可能な可変動弁機構11が備えられている。
【0030】
以上述べたように構成された内燃機関1には、該内燃機関1を制御するための電子制御ユニットであるECU13が併設されている。このECU13は、内燃機関1の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関1の運転状態を制御するユニットである。
【0031】
ECU13には、前記センサの他、内燃機関1のクランクアングルに応じた信号を出力するクランクポジションセンサ14、運転者がアクセルペダル16を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検出可能なアクセル開度センサ17が電気配線を介して接続され、これらの出力信号がECU13へ入力されるようになっている。なお、アクセル開度センサ17により内燃機関1の負荷が検出される。
【0032】
一方、ECU13には、可変動弁機構11が電気配線を介して接続され、該ECU13により可変動弁機構11が制御される。
【0033】
ここで、図2は、内燃機関1の各気筒4の燃焼順序を示した図である。右バンク2では、1,7,3,5番気筒の順に燃焼が行われ、左バンク3では、2,4,6,8番気筒の順に燃焼が行われる。そして、内燃機関1全体としては、1,2,7,3,4,5,6,8番気筒の順に燃焼が行われる。
【0034】
そして、本実施例では、硫黄被毒回復処理を実施するときであって、内燃機関1の負荷が所定負荷よりも低い場合には、減筒運転を行なう。つまり、クランクアングル90度間隔で燃焼を行っていたものを、クランクアングル180度間隔で燃焼を行なう。具体的には、1,7,4,6番気筒で燃料を燃焼させ、2,3,5,8番気筒で燃料の供給を停止することにより、燃焼を停止させる。または、逆に2,3,5,8番気筒で燃料を燃焼させ、1,7,4,6番気筒で燃料の供給を停止することにより、燃焼を停止させる。
【0035】
なお、本実施例では、以下の(1)から(4)までの制御を行っている。
【0036】
(1)硫黄被毒回復処理中に内燃機関1が低負荷となった場合
ここでいう低負荷とは、減筒運転をしなければ硫黄被毒回復が困難となるほど、排気の空燃比が高くなるか又は排気の温度が低くなる運転状態である。この閾値(以下、第1閾値という。)となる負荷は、予め実験等により求めておく。そして、半分の気筒4において燃料の燃焼を停止させることにより、クランクアングル180度間隔で燃料を燃焼させる。
【0037】
これにより、排気の温度を上昇させることができるので、低負荷となった場合であって
も右NOx触媒9および左NOx触媒10の温度の低下を抑制することができる。また、1気筒当たりに供給される燃料量が増加されるので、排気の空燃比を低下させることができる。したがって、硫黄被毒回復処理中に内燃機関1が高負荷から低負荷に移行した場合であっても、硫黄被毒回復処理を継続することができる。
【0038】
(2)硫黄被毒回復処理中に内燃機関1が前記低負荷を脱した場合
このような場合に減筒運転を継続すると、排気の空燃比が過剰にリッチとなったり、排気の温度が過剰に上昇したり、内燃機関のトルクが上昇しなかったりするため、全気筒運転を行う。ただし、全気筒運転に切り替えるのは、内燃機関1の負荷が、前記第1閾値よりも高い第2閾値以上となった場合とする。
【0039】
ここで、全気筒運転に切り替えると、排気の空燃比が低下するため、仮に前記第1閾値にて全気筒運転に切り替えると、硫黄被毒回復に必要な温度が得られなくなる虞がある。そのため、第1閾値よりも高い第2閾値以上となってから全気筒運転に切り替える。この第2閾値は、減筒運転から全気筒運転に切り替えたときに硫黄被毒回復を継続して行なうことができる負荷として、予め実験等により求めておく。
【0040】
(3)内燃機関1が前記低負荷で運転されているときに硫黄被毒回復処理を行なう必要が生じた場合
ここで、硫黄被毒回復処理を行なう必要が生じた場合とは、例えば右NOx触媒9また
は左NOx触媒10に吸蔵された硫黄成分の量が規定量を超えた場合である。なお、右N
Ox触媒9または左NOx触媒10に吸蔵された硫黄成分の量は、燃料消費量やNOxセン
サからの出力信号、車両の走行距離等により求めることができる。
【0041】
このような場合にも、半分の気筒4において燃料の燃焼を停止させ、クランクアングル180度間隔で燃焼を行なう。これにより、排気の温度を上昇させることができるので、右NOx触媒9および左NOx触媒10の温度を上昇させることができる。また、1気筒当たりに供給される燃料量が増加されるので、排気の空燃比を低下させることができる。したがって、内燃機関1が低負荷で運転されている場合であっても、硫黄被毒回復処理を実行することができる。
【0042】
(4)内燃機関1が前記低負荷で運転されているときに硫黄被毒の回復が完了した場合
このような場合には、減筒運転を継続する必要はないため、直ちに全気筒運転に切り替える。
【0043】
次に、本実施例における硫黄被毒回復処理のフローについて説明する。図3は、本実施例における硫黄被毒回復処理のフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、所定の時間毎に繰り返し実行される。
【0044】
ステップS101では、右NOx触媒9または左NOx触媒10の硫黄被毒回復処理を行なう必要が生じているか否か判定される。判定は、前記したように、右NOx触媒9また
は左NOx触媒10に吸蔵された硫黄成分の量が規定量を超えたか否かにより行なわれる

【0045】
ステップS101で肯定判定がなされた場合にはステップS102に進んで硫黄被毒が回復され、一方否定判定がなされた場合には硫黄被毒回復を行なう必要は無いため本ルーチンを一旦終了させる。
【0046】
ステップS102では、内燃機関1の負荷が前記第1閾値以下であるか否か判定される。すなわち、本ステップでは、硫黄被毒回復を行なうために減筒運転が必要であるか否か
判定される。
【0047】
ステップS102で肯定判定がなされた場合には減筒運転を行なうためにステップS103へ進み、一方否定判定がなされた場合には全気筒運転を行なうためにステップS107へ進む。
【0048】
ステップS103では、減筒運転にて硫黄被毒回復が行なわれる。同時に、燃焼が行われていない気筒4の排気弁が閉じたままとされる。なお、本実施例ではステップS103で減筒運転を行ないつつ硫黄被毒回復を行なうECU13が、本発明における硫黄被毒回復手段に相当する。
【0049】
ステップS104では、内燃機関1の負荷が第2閾値以上であるか否か判定される。すなわち、減筒運転にて硫黄被毒回復が行なわれているときに、内燃機関1の負荷が上昇して、減筒運転の必要が無くなったか否か判定される。
【0050】
ステップS104で肯定判定がなされた場合にはステップS107に進んで全気筒運転に切り替えられ、一方否定判定がなされた場合にはステップS105へ進み引き続き減筒運転にて硫黄被毒回復が行なわれる。
【0051】
ステップS105では、硫黄被毒の回復が完了したか否か判定される。例えば所定時間に亘り硫黄被毒回復が行なわれた場合に、硫黄被毒の回復が完了したと判定される。
【0052】
ステップS105で肯定判定がなされた場合にはステップS106へ進み、一方否定判定がなされた場合にはステップS104へ戻って引き続き減筒運転にて硫黄被毒回復が行なわれる。
【0053】
ステップS106では、硫黄被毒回復処理が終了し、全気筒運転が行われる。減筒運転が行われていた場合には、燃焼が行われていなかった気筒4の排気弁15の開閉が再開される。
【0054】
ステップS107では、全気筒運転にて硫黄被毒回復が行なわれる。減筒運転からの切替の場合には、燃焼が行われていなかった気筒4の排気弁15の開閉が再開される。
【0055】
ステップS108では、内燃機関1の負荷が第1閾値以下であるか否か判定される。本ステップは、ステップS102と同様の処理が行なわれる。
【0056】
ステップS108で肯定判定がなされた場合にはステップS103へ進み減筒運転にて硫黄被毒回復が行なわれ、一方否定判定がなされた場合にはステップS109へ進み引き続き全気筒運転にて硫黄被毒回復が行われる。
【0057】
ステップS109では、硫黄被毒の回復が完了したか否か判定される。本ステップは、ステップS105と同様の処理が行なわれる。
【0058】
ステップS109で肯定判定がなされた場合にはステップS106へ進んで硫黄被毒回復処理が終了され、一方否定判定がなされた場合にはステップS108へ戻り引き続き全気筒運転にて硫黄被毒回復が行なわれる。
【0059】
以上説明したように、本実施例によれば、硫黄被毒回復が必要な場合であって内燃機関1が低負荷で運転されている場合には減筒運転を行なうことにより、排気の空燃比を低下させ且つ排気の温度を上昇させることができるため、硫黄被毒回復が可能となる。これに
より、硫黄被毒回復を行なうことができる運転領域を拡大させることができるので、様々な走行条件にて硫黄被毒回復を行なうことができる。また、硫黄被毒回復処理で消費される燃料量を低減することができるので、燃費を向上させることができる。
【0060】
また、クランクアングル90度間隔で少なくとも1回連続して燃焼を行うV型8気筒内燃機関において、減筒運転を行うときにはクランクアングル180度間隔で燃焼を行なうため、内燃機関を安定して運転させることができる。なお、V型8気筒に限らず、他の配列の気筒を有する内燃機関においても減筒運転を行なうことにより排気の空燃比を低下させ且つ排気の温度を上昇させることができる。また、他の配列の気筒を有する内燃機関においても等間隔で燃料を燃焼させることにより、安定した運転が可能となる。
【0061】
さらに、減筒運転を行なうときには、燃焼が行われない気筒4の排気弁が可変動弁機構11により閉じたままとされるので、燃焼が行われない気筒から排出される空気により排気の空燃比が上昇したり排気の温度が低下したりすることを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【0062】
【図1】実施例に係る内燃機関とその排気系の概略構成を示す図である。
【図2】内燃機関の各気筒の燃焼順序を示した図である。
【図3】実施例における硫黄被毒回復処理のフローを示したフローチャートである。
【符号の説明】
【0063】
1 内燃機関
2 右バンク
3 左バンク
4 気筒
5 右排気マニホールド
6 左排気マニホールド
7 右排気管
8 左排気管
9 右NOx触媒
10 左NOx触媒
11 可変動弁機構
13 ECU
14 クランクポジションセンサ
15 排気弁
16 アクセルペダル
17 アクセル開度センサ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の気筒を有し且つ燃料を燃焼させる気筒を減少させる減筒運転を行うことが可能な内燃機関の排気浄化装置において、
NOxを吸蔵し且つ吸蔵していたNOxが還元剤により還元される吸蔵還元型NOx触媒
と、
前記吸蔵還元型NOx触媒の硫黄被毒回復を行うときに前記減筒運転を行なう硫黄被毒
回復手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項2】
前記内燃機関は、クランクアングル90度間隔で少なくとも1回連続して燃焼を行うV型8気筒内燃機関であり、
前記硫黄被毒回復手段は、硫黄被毒回復を行なうときにクランクアングル180度間隔で燃焼を行なうように、半分の気筒の燃焼を停止させることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項3】
排気弁を閉じたままとすることが可能な可変動弁機構を更に備え、前記硫黄被毒回復手段により硫黄被毒の回復が行なわれるときに、燃料の燃焼が停止される気筒の排気弁を閉じたままとすることを特徴とする請求項1または2に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項4】
前記硫黄被毒回復手段は、前記内燃機関の負荷が第1閾値以下となった場合に前記減筒運転を行なうことを特徴とする請求項1から3の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項5】
前記硫黄被毒回復手段は、減筒運転を行っているときに前記内燃機関の負荷が第1閾値よりも高い第2閾値以上となった場合に前記減筒運転を中止することを特徴とする請求項4に記載の内燃機関の排気浄化装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2008−38806(P2008−38806A)
【公開日】平成20年2月21日(2008.2.21)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−215749(P2006−215749)
【出願日】平成18年8月8日(2006.8.8)
【出願人】(000003207)トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Fターム(参考)】